1.5.1. Cơ sở lý thuyết
Trờn ụtụ cú trang bị hệ thống phanh nhằm mục đớch giảm vận tốc hoặc dừng hẳn xe khi cần thiết. Lỳc đú người lỏi giảm lượng nhiờn liệu cung cấp vào động cơ, đồng thời đạp phanh để hóm xe lại. Nhờ hệ thống phanh người lỏi cú thể nõng cao vận tốc chuyển động trung bỡnh của ụtụ mà vẫn đảm bảo an toàn khi chuyển động.
Do vận tốc chuyển động của xe ngày càng cao nờn việc đi sõu nghiờn cứu hoàn thiện sự làm việc của hệ thống phanh nhằm tăng tớnh hiệu quả khi phanh là cấp thiết. Như ta đó biết, khi người lỏi xe tỏc dụng lực vào bàn đạp phanh thỡ ở cơ cấu phanh sẽ tạo ra mụmen ma sỏt giữa mỏ phanh với tang trống hay đĩa phanh và được gọi là mụmen phanh nhằm hóm bỏnh xe lại, lỳc đú tại vị trớ bỏnh xe tiếp xỳc với mặt đường xuất hiện phản lực tiếp tuyến Pp ngược chiều với chuyển động của xe. Phản lực này được gọi là lực phanh và xỏc định theo biểu thức: [3]
r M P b p p Trong đú: Mp - Mụmen phanh tỏc dụng lờn bỏnh xe
Pp - Lực phanh tỏc dụng tại điểm tiếp xỳc giữa bỏnh xe với mặt đường rb - Bỏn kớnh làm việc của bỏnh xe
Lực phanh lớn nhất bị giới hạn bởi lực bỏm của bỏnh xe với mặt đường P tức phụ thuộc vào điều kiện bỏm giữa bỏnh xe với mặt đường và phản lực phỏp tuyến giữa bỏnh xe với mặt đường và được thể hiện qua biểu thức:
Ppmax = P = Zb. Trong đú:
Ppmax – Lực phanh cực đị cú thể sinh ra tứ khả năng bỏm của bỏnh xe với mặt đường.
P - Lực bỏm giữa bỏnh xe với mặt đường Zb – Phản lực phỏp tuyến tỏc dụng lờn bỏnh xe
Ta đó biết trong hệ thống phanh dẫn động thuỷ lực cú bộ điều hoà thỡ điều kiện phanh cú hiệu quả và ổn định là:
Lực cản trong cơ cấu phanh < Lực cản giữa lốp và mặt đường
Trong quỏ trỡnh phanh ụtụ, mụmen phanh sinh ra ở cơ cấu phanh tăng lờn làm lực cản trong cơ cấu phanh tăng theo, đến một lỳc nào đấy lực cản trong cơ cấu phanh sinh ra sẽ lớn hơn lực cản lốp sẽ dẫn đến sự trượt lờ bỏnh xe. Khi bỏnh xe bị trượt lờ hoàn toàn thỡ hệ số bỏm cú giỏ trị thấp nhất. Theo biểu thức (1-2) thỡ khi
bỏnh xe bị trượt lờ hoàn toàn thỡ lực phanh sinh ra giữa bỏnh xe và mặt đường là nhỏ nhất, dẫn đến hiệu quả phanh thấp nhất. Khụng những thế, nếu cỏc bỏnh xe trước bị trượt lờ sẽ làm cho hệ số bỏm dọc x giảm đồng thời làm cho hệ số bỏm ngang y giảm khi đú mất bỏnh trước sẽ khụng cú khả năng dẫn hướng vỡ thế đầu xe sẽ chuyển động theo lực quỏn tớnh hoặc độ nghiờng của mặt đường, cũn nếu cỏc bỏnh xe sau bị trượt lờ thỡ xe sẽ bị trượt ngang theo về bờn trỏi hoặc bờn phải theo độ nghiờng của mặt đương và xe sẽ cú xu hướng quay ngoắt vũng trũn khi lực quỏn tớnh đẩy trọng tõm về phớa trước và tõm quay là bỏnh xe trước cú hệ số bỏm lớn. Nếu tất cả cỏc bỏnh xe bị trượt lờ thỡ xe sẽ mất hoàn toàn tớnh ổn định. Khi đú xe sẽ bị văng theo lực quỏn tớnh hoặc do độ nghiờng của mặt đường.
Hệ số bỏm này được xỏc định bằng thực nghiệm bỏnh xe đang chuyển động bị hóm cứng hoàn toàn, nghĩa là bỏnh xe bị trượt lờ 100%.
Trờn thực tế, hệ số bỏm của bỏnh xe ụtụ với mặt đường ngoài việc phụ thuộc vào loại đường và tỡnh trạng mặt đường mà cũn phụ thuộc khỏ nhiều bởi độ trượt của bỏnh xe tương đối với mặt đường trong quỏ trỡnh phanh.
Trờn hỡnh 1.15 chỉ ra mối quan hệ giữa hệ số bỏm dọc x và hệ số bỏm ngang
y của bỏnh xe với mặt đường theo độ trượt ngang tương đối giữa bỏnh xe và mặt đường.
Hỡnh 1.15. Sự thay đổi hệ số bỏm dọc x và hệ số bỏm ngang y theo độ trượt tương đối của bỏnh xe với mặt đường khi phanh
Độ trượt tương đối của bỏnh xe với mặt đường được xỏc định theo biểu thức: [1] v r w v b. b Trong đú: v - Vận tốc của ụtụ
wb - Vận tốc gúc của bỏnh xe khi phanh rb - Bỏn kớnh làm việc của bỏnh xe
Từ hỡnh 2.1 ta thấy rằng hệ số bỏm dọc cú giỏ trị cực đại xmax ở giỏ trị độ trượt tối ưu o. Thực nghiệm chứng tỏ thấy rằng giỏ trị o thường nằm trong giới hạn 15 20%. Ở giỏ trị độ trượt tối ưu khụng những đảm bảo hệ số bỏm dọc cú giỏ trị cực đại mà hệ số bỏm ngang cũng cú giỏ trị khỏ cao. Như vậy nếu giữ cho quỏ trỡnh phanh xảy ra ở độ trượt của bỏnh xe là o thỡ sẽ đạt được lực phanh cực đại Ppmax = xmax.Zb nghĩa là hiệu quả phanh sẽ cao nhất và đảm bảo tớnh ổn định và tớnh dẫn hướng khi phanh. Giải phỏp tiờn tiến nhất hiện nay để đảm bảo mối quan hệ trờn khi phanh là hệ thống phanh cú sự trợ giỳp của hệ thống chống bú cứng bỏnh xe (ABS). Như vậy chức năng cơ bản của hệ thống phanh cú trang bị ABS là giữ cho cỏc bỏnh xe trong quỏ trỡnh phanh ở độ trượt thay đổi trong một giới hạn hẹp quanh giỏ trị o, do đú đảm bảo hiệu quả phanh cao nhất đồng thời đảm bảo tớnh ổn định hướng và tớnh dẫn hướng khi phanh đặc biệt ở tốc độ cao và đường cú hệ số bỏm thấp. Để giữ cho cỏc bỏnh xe làm việc ở vựng độ trượt quanh giỏ trị o trong giới hạn hẹp và khụng dẫn tới hiện tượng hóm cứng bỏnh xe khi phanh thỡ phải điều chỉnh ỏp suất mụi chất (dầu hoặc khớ) dẫn đến cỏc cơ cấu phanh vỡ vậy hệ thống ABS điều khiển chống bú cứng cỏc bỏnh xe trờn cơ sở điều khiển ỏp suất mụi chất dẫn động đến cỏc bỏnh xe, đú cũng chớnh là chức năng cơ bản của hệ thống ABS.
1.5.2. Nguyờn lý hoạt động của hệ thống phanh cú trang bị ABS
Sơ đồ nguyờn lý hoạt động của hệ thống ABS trong dẫn động thuỷ lực trờn ụtụ được thể hiện trờn hỡnh 2.2. [1]
Hỡnh 1.16. Sơ đồ nguyờn lý ABS 1- Van điều ỏp 2- Xi lanh chớnh 3- Xi lanh cụng tỏc tại bỏnh xe 4- ECU 5- Cảm biến vận tốc bỏnh xe 6- Bỏnh xe
Hệ thống hoạt động như sau: Khi lỏi xe tỏc động lờn bàn đạp, chất lỏng cụng tỏc được dồn từ xi lanh chớnh qua van điều ỏp 1 tới xi lanh cụng tỏc tại bỏnh xe thực hiện quỏ trỡnh phanh. Cảm biến 5 cú nhiệm vụ đo vận tốc gúc của bỏnh xe và gửi tớn hiệu này tới bộ xử lý trung tõm (ECU) 4. Khi vận tốc gúc gần bằng 0, nghĩa là bỏnh xe sắp bị trượt lết, ECU sẽ phỏt lệnh cho van điều ỏp giảm ỏp suất tại xi lanh cụng tỏc, nhờ đú mụmen phanh tại bỏnh xe giảm xuống và vận tốc gúc bỏnh xe tăng lờn. Khi vận tốc gúc đạt tới một giỏ trị xỏc định ECU lại ra lệnh cho van điều ỏp tiếp tục tăng ỏp suất tại xi lanh cụng tỏc. Cứ như vậy quỏ trỡnh được lặp lại và bỏnh xe luụn được phanh ở mức độ tối đa mà khụng bị trượt lết.
Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa ỏp suất dầu xy lanh bỏnh xe với mức độ tăng tốc bỏnh xe và tốc độ bỏnh xe.
Tốc độ quay của bánh xe Tín hiệu từ cảm biến bánh xe Tín hiệu bánh xe sau mạch mã hoá xung Lệnh bậc Giảm áp suất Giữ áp suất Tăng áp suất Bơm bật Bơm tắt áp suất dầu áp suất ở xilanh bánh xe áp suất ở tổng phanh Tín hiệu tốc độ quay bánh xe Tín hiệu tốc độ xe Tốc độ Thời gian t (s) Tín hiệu trong mạch vi xử lý Lệnh điều khiển van điện từ và môtơ bơm Kết quả điều khiển - Chế độ giảm ỏp:
ECU đặt van điện ở chế độ giảm ỏp theo mức độ giảm tốc của bỏnh xe, vỡ vậy giảm ỏp suất dầu trong xy lanh của mỗi xi lanh phanh bỏnh xe. Sau khi ỏp suất giảm, ECU chuyển van điện sang chế độ "giữ " để theo dừi về sự thay đổi về tốc độ của bỏnh xe. Nếu ECU thấy rằng ỏp suất dầu cần giảm hơn nữa nú sẽ lại giảm ỏp suất dầu.
- Chế độ giữ và tăng ỏp:
Khi ỏp suất dầu bờn trong xilanh bỏnh xe giảm (sau chế độ giảm ỏp). Nú cho phộp bỏnh xe gần bị bú cứng lại tăng tốc độ. Tuy nhiờn, nếu ỏp suất dầu giảm lực phanh tỏc dụng bỏnh xe sẽ giảm nhiều. Để trỏnh hiện tượng này ECU liờn tục đặt
van điện ở cỏc chế độ "Tăng ỏp " và chế độ "Giữ", khi bỏnh xe gần bị bú cứng phục hồi tốc độ.
- Chế độ giảm ỏp:
Khi ỏp suất dầu trong xi lanh bỏnh xe tăng từ từ bởi ECU (Sau chế độ giữ và tăng ỏp) bỏnh xe cú xu hướng lại bị bú cứng. Vỡ vậy, ECU lại chuyển cỏc van điện đến chế độ "Giảm ỏp " để giảm ỏp suất dầu bờn trong xi lanh bỏnh xe.
1.5.3. Cụng dụng của hệ thống ABS
Để thấy rừ hiệu quả của hệ thống phanh cú trang bị ABS chỳng ta xem xột kết quả thớ nghiệm sau. [1]
Loại đường
Tốc độ bắt đầu phanh v (m/s)
Quóng đường phanh Sp (m) Lợi về hiệu quả phanh % Cú trang bị ABS Khụng trang bị ABS Đường bờ tụng khụ Đường bờ tụng ướt 13.88 13.88 10.6 18.7 13.1 23.7 19.1 21.1 Đường bờ tụng khụ Đường bờ tụng ướt 27.77 27.77 41.1 62.5 50.0 100.0 17.8 37.5
Bảng 1.5. Kết quả thớ nghiệm trờn ụtụ du lịch cú trang bị hệ thống ABS (trong trường hợp mỗi bỏnh xe đều cú cảm biến và bộ van điều khiển riờng rẽ)
Từ kết quả thớ nghiệm trờn ta nhận thấy đường trơn và tốc độ xe càng lớn thỡ hiệu quả phanh của hệ thống cú trang bị ABS lớn hơn nhiều so với hệ thống phanh khụng trang bị ABS.
Hệ thống ABS làm tăng tớnh ổn định và tớnh dẫn hướng của ụtụ khi phanh. Ở giỏ trị độ trượt của bỏnh xe so với mặt đường khoảng 15 –25 % thỡ giỏ trị độ bỏm dọc xấp xỉ giỏ trị max cũn độ bỏm ngang cũng đạt giỏ trị khỏ cao. Do đú vừa đảm bảo hiệu quả hanh tốt và vừa đảm bảo tớnh ổn định dẫn hướng khi phanh.
1.5.4. Một số phƣơng ỏn điều khiển của hệ thống ABS. 1.5.4.1. Cỏc phƣơng ỏn theo nguồn dầu cú ỏp suất
Phương ỏn 1: Kiểu dựng ỏp suất dầu trợ lực lỏi (xe tải 4 Runner )
Cảm biến tốc độ Xi lanh bánh xe sau
Hộp cơ cấu lái Cảm biến giảm tốc
Cơ cấu chấp hành Bộ điều hoà
lực phanh
Bơm trợ lực lái, bình dầu
ABS ECU
Trong kiểu ABS này, ỏp suất dầu từ hệ thống lỏi được sử dụng để điều khiển ỏp suất phanh. Hệ thống ABS này chỉ điều khiển chống bú cứng cho cỏc bỏnh sau. Đú là đặc điểm chớnh của hệ thống này.
Trong hệ thống nú chỉ cú một cảm biến tốc độ được gắn ở vỏ cầu cảm nhận tốc độ quay của bỏnh răng vành chậu. Vỡ vậy một cảm biến giảm tốc được sử dụng để giỳp cho ABS ECU cú thể đỏnh giỏ được mức độ giảm tốc một cỏch chớnh xỏc hơn.
Hệ thống này cú ưu điểm là kết cấu đơn giản, nhưng cú nhược điểm là khụng điều khiển chống bú cứng cho cỏc bỏnh trước nờn hiờu quả phanh chưa cao khi phanh xe ở tốc độ cao và hệ số bỏm nhỏ, xe rất rễ bị mất hướng chuyển động, nờn với hệ thống này thường chỉ được bố trớ cho xe tải do tải trọng đặt lờn cỏc bỏnh sau thường thay đổi. Nguồn dầu dựng chung với hệ thống lỏi nờn bị ảnh hưởng của hệ thống lỏi.
Cảm biến bánh xe Bộ chấp hành phanh TRC Bộ chấp hành ABS ABS / T ECU Bộ chấp hành b-ớm ga phụ Công tắc TRC ECU động cơ
Trong kiểu ABS này, ỏp suất dầu được tạo từ bơm của bộ chấp hành ABS , ỏp suất phanh được điều khiển cho tất cả cỏc bỏnh do vậy mà cú hiệu quả cao hơn so với phương ỏn trờn. Nguồn dầu độc lập nờn khả năng hư hỏng nguồn dầu là thấp
1.5.4.2. Cỏc phƣơng ỏn theo số van trong bộ chấp hành
Phương ỏn 3: Cơ cấu chấp hành dựng 4 van 3 vị trớ
Với phương ỏn này tớn hiệu được đưa từ cỏc cảm biến bỏnh xe đến hộp ABS ECU. Đồng thời một tớn hiệu được đưa từ cụng tắc đốn phanh đến hộp để bỏo cho biết xe đang trong quỏ trỡnh phanh. Căn cứ vào cỏc tớn hiệu được đưa tới, chương trỡnh sẽ tớnh toỏn và quyết định cấp tớn hiệu để điều khiển cỏc van mỗi van điện cú ba vị trớ để thực hiện ba chế độ khỏc nhau đú là tăng ỏp, giữ và giảm ỏp phụ thuộc vào giỏ trị điện ỏp mà hộp ABS ECU cấp cho cỏc van.
Bộ chấp hành ABS ABS ECU Cảm biến tốc độ Xi lanh bánh xe Bơm Bình dầu Cửa A Cửa B Cửa C Cửa D Xi lanh chính Van giữ áp suất Van giảm áp Công tắc phanh Xi lanh chính Van P Xi lanh bánh xe Cảm biến bánh xe Bình dầu Van điện 3 vị trí ABS ECU Cút nối 3 đầu
Phương ỏn 4: Cơ cấu chấp hành dựng 8 van 2 vị trớ.
Trạng thỏi của mỗi cửa van và mụ tơ bơm
Chế độ hoạt động Van giữ ỏp suất Van giảm ỏp Mụtơ bơm
Khi phanh bỡnh thường Cửa A mở Cửa D đúng OFF (ABS khụng hoạt động)
Khi phanh gấp
- Chế độ giảm ỏp Cửa A đúng Cửa D mở ON
-Chế độ giữ Cửa A đúng Cửa D đúng ON
-Chế độ tăng ỏp Cửa A mở Cửa D đúng ON
1.5.5. Giải phỏp kết cấu và điều khiển hệ thống ABS
1.5.5.1. Sơ đồ mạch cơ bản và cỏc bộ phận chủ yếu của hệ thống ABS a. Sơ đồ mạch điện a. Sơ đồ mạch điện
Ta cú sơ đồ mạch điện của hệ thống phanh ABS cho xe CELICA đời 89 Khoá điện Đèn báo phanh Công tắc đèn phanh FR FL RR RL Giắc chẩn đoán TC TS CB giảm tốc (4WD) Môtơ bơm Bộ chấp hành ABS ABS ECU
Rơ le điều khiển ABS
Rơle môtơ
Rơle van điện CT. mức dầu Đèn báo sự cố CT.phanh tay Đèn phanh CB.báo đèn hỏng
b. Cảm biến tốc độ bỏnh xe
- Nhiệm vụ: Cảm biến tốc độ bỏnh xe cú nhiệm vụ cơ bản là biến chuyển động quay của bỏnh xe tương ứng thành tớn hiệu điện ỏp xoay chiều cú tần số tỉ lệ thuận với tốc độ quay của bỏnh xe.
Hỡnh 1.17. Vị trớ lắp đặt cảm biến
- Cấu tạo: Cảm biến tốc độ bỏnh xe trước và sau bao gồm một nam chõm vĩnh cửu để từ hoỏ cuộn dõy, cuộn dõy dựng để phỏt dũng điện xoay chiều và một lừi từ. Vị trớ lắp cảm biến tốc độ hay rụto cảm biến cũng như số lượng cảm biến thay đổi theo kiểu xe
Hỡnh vẽ dưới đõy chỉ ra vị trớ của cảm biến và rụ to cảm biến. Rụto cảm biến là một đĩa mộp ngoài cú răng và cỏc răng cỏch đều nhau. Đĩa được lắp chặt với moay ơ bỏnh xe do vậy nú sẽ quay cựng với moay ơ bỏnh xe
- Hoạt động: Vành ngoài của rụ to cú cỏc răng cỏch đều nhau nờn khi rụ to quay sẽ làm thay đổi khe hở khụng khớ thay đổi theo vị trớ của răng rụ to tương đối so với cuộn dõy nhận tớn hiệu làm cho mật độ từ thụng qua cuộn dõy thay đổi, mật độ từ thụng thay đổi này sinh ra điện ỏp xoay chiều trong cuộn dõy. Điện ỏp xoay chiều này cú tần số tỉ lệ thuận với tốc độ quay của rụ to cú nghĩa tỉ lệ thuận với tốc